MAX17504：高效同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

一、引言

在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)中，DC - DC轉(zhuǎn)換器是至關(guān)重要的組件，它能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為合適的輸出電壓，為設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。今天要介紹的MAX17504/MAX17504S就是一款高性能的同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，它具有寬輸入電壓范圍、高輸出電流能力和多種工作模式等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種工業(yè)和通用電源應(yīng)用場(chǎng)景。

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二、產(chǎn)品概述

2.1 基本特性

MAX17504/MAX17504S是一款高效、高壓的同步整流降壓轉(zhuǎn)換器，集成了雙MOSFET，可在4.5V至60V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，能提供高達(dá)3.5A的輸出電流，輸出電壓范圍為0.9V至90%VIN。內(nèi)置的補(bǔ)償功能覆蓋了整個(gè)輸出電壓范圍，無(wú)需外部補(bǔ)償組件。在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內(nèi)，反饋（FB）調(diào)節(jié)精度為±1.1%。其采用緊湊的5mm x 5mm TQFN無(wú)鉛封裝，帶有外露焊盤(pán)，并且提供仿真模型。

2.2 工作模式

它具有峰值電流模式控制架構(gòu)，通過(guò)MODE引腳可選擇脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）或不連續(xù)模式（DCM）控制方案：

• PWM模式：在所有負(fù)載下提供恒定頻率操作，適用于對(duì)開(kāi)關(guān)頻率敏感的應(yīng)用，但在輕載時(shí)效率較低。
• PFM模式：禁用負(fù)電感電流，并在輕載時(shí)跳過(guò)脈沖以提高效率，但輸出電壓紋波較大，輕載時(shí)開(kāi)關(guān)頻率不恒定。
• DCM模式：在輕載下具有恒定頻率操作，不跳過(guò)脈沖，僅禁用負(fù)電感電流，效率介于PWM和PFM模式之間。其中，MAX17504S提供更低的最小導(dǎo)通時(shí)間，允許更高的開(kāi)關(guān)頻率和更小的解決方案尺寸。

2.3 其他特性

該產(chǎn)品還具有可編程軟啟動(dòng)功能，可降低輸入浪涌電流；集成了輸出使能/欠壓鎖定引腳（EN/UVLO），可在所需的輸入電壓水平下開(kāi)啟器件；開(kāi)漏RESET引腳在輸出電壓成功調(diào)節(jié)后向系統(tǒng)提供延遲的電源正常信號(hào)。

三、電氣特性

3.1 絕對(duì)最大額定值

在使用MAX17504時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值，如VIN到PGND的電壓范圍為 - 0.3V至 + 65V等，超過(guò)這些額定值可能會(huì)對(duì)器件造成永久性損壞。

3.2 電氣參數(shù)

在特定的測(cè)試條件下（如VIN = VENUVLO = 24V，RRT = 40.2kΩ等），該器件具有一系列電氣參數(shù)。例如，輸入電壓范圍為4.5V至60V，輸入關(guān)斷電流在不同條件下有不同的值；EN/UVLO引腳的閾值在上升和下降時(shí)有特定的電壓范圍；LDO輸出電壓范圍在不同負(fù)載電流下也有相應(yīng)規(guī)定等。

四、典型工作特性

4.1 效率與負(fù)載電流關(guān)系

從典型工作特性曲線可以看出，在不同的輸入電壓、輸出電壓和工作模式下，效率與負(fù)載電流呈現(xiàn)不同的關(guān)系。例如，在PWM模式下，隨著負(fù)載電流的增加，效率會(huì)先上升后趨于穩(wěn)定；在PFM模式下，輕載時(shí)效率較高。這有助于工程師根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況選擇合適的工作模式，以提高電源效率。

4.2 負(fù)載和線性調(diào)節(jié)

負(fù)載和線性調(diào)節(jié)特性展示了輸出電壓隨負(fù)載電流和輸入電壓變化的情況。通過(guò)這些曲線，工程師可以評(píng)估在不同輸入電壓和負(fù)載電流下，輸出電壓的穩(wěn)定性，從而確保設(shè)備在各種工作條件下都能獲得穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

五、引腳配置與功能

5.1 引腳配置

MAX17504采用20引腳的TQFN封裝，各引腳具有不同的功能。例如，VIN引腳為電源輸入，EN/UVLO引腳用于使能/欠壓鎖定，RESET引腳為開(kāi)漏輸出，用于監(jiān)控輸出電壓等。

5.2 引腳功能詳解

• VIN引腳：需要將多個(gè)VIN引腳連接在一起，并使用兩個(gè)2.2uF的電容與PGND進(jìn)行去耦，以提供穩(wěn)定的輸入電源。
• EN/UVLO引腳：通過(guò)連接到Vin和SGND之間的電阻分壓器的中心節(jié)點(diǎn)，可以設(shè)置器件開(kāi)啟的輸入電壓。
• RESET引腳：當(dāng)FB電壓下降到設(shè)定值的92%以下時(shí)，RESET輸出低電平；當(dāng)FB電壓上升到設(shè)定值的95%以上1024個(gè)時(shí)鐘周期后，RESET輸出高電平。

六、詳細(xì)工作原理

6.1 控制架構(gòu)

MAX17504采用峰值電流模式控制架構(gòu)。內(nèi)部跨導(dǎo)誤差放大器在內(nèi)部節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生積分誤差電壓，通過(guò)PWM比較器、高端電流檢測(cè)放大器和斜率補(bǔ)償發(fā)生器來(lái)設(shè)置占空比。在時(shí)鐘的每個(gè)上升沿，高端MOSFET導(dǎo)通，直到達(dá)到適當(dāng)或最大占空比，或者檢測(cè)到峰值電流限制。

6.2 模式選擇

MODE引腳的邏輯狀態(tài)在VCC和EN/UVLO電壓超過(guò)各自的UVLO上升閾值且所有內(nèi)部電壓準(zhǔn)備好允許LX開(kāi)關(guān)時(shí)被鎖存。在不同的MODE引腳連接方式下，器件可工作在不同的模式：

• PFM模式：上電時(shí)MODE引腳開(kāi)路，輕載時(shí)工作在PFM模式，通過(guò)禁用負(fù)電感電流和跳過(guò)脈沖來(lái)提高效率。
• PWM模式：上電時(shí)MODE引腳接地，所有負(fù)載下工作在恒定頻率PWM模式。
• DCM模式：上電時(shí)MODE引腳連接到VCC，輕載時(shí)工作在恒定頻率DCM模式。

6.3 其他特性工作原理

• 過(guò)流保護(hù)/HICCUP模式：具有逐周期峰值電流限制和失控電流限制，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流情況時(shí)會(huì)觸發(fā)HICCUP模式，即在32,768個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)暫停開(kāi)關(guān)，然后嘗試再次軟啟動(dòng)。
• RESET輸出：通過(guò)RESET比較器監(jiān)控輸出電壓，當(dāng)輸出電壓達(dá)到一定條件時(shí)，RESET引腳輸出相應(yīng)的電平信號(hào)。
• 熱關(guān)斷保護(hù)：當(dāng)器件的結(jié)溫超過(guò) + 165°C時(shí)，片上熱傳感器會(huì)關(guān)閉器件，結(jié)溫下降10°C后再次開(kāi)啟，軟啟動(dòng)在熱關(guān)斷期間會(huì)重置。

七、應(yīng)用信息

7.1 組件選擇

• 輸入電容：輸入濾波電容可減少?gòu)碾娫次〉姆逯惦娏骱洼斎腚妷杭y波。根據(jù)公式計(jì)算輸入電容的RMS電流和電容值，選擇低ESR、高紋波電流能力的陶瓷電容，如X7R電容。在源與器件輸入距離較遠(yuǎn)時(shí)，需并聯(lián)電解電容以提供必要的阻尼。
• 電感：需要確定電感值、飽和電流和直流電阻。根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率和輸出電壓計(jì)算電感值，選擇接近計(jì)算值、低損耗、低直流電阻且飽和電流大于峰值電流限制值的電感。
• 輸出電容：優(yōu)先選擇X7R陶瓷輸出電容，根據(jù)負(fù)載電流階躍、響應(yīng)時(shí)間、允許的輸出電壓偏差等參數(shù)計(jì)算最小輸出電容值。同時(shí)要考慮陶瓷電容的直流電壓降額。
• 軟啟動(dòng)電容：通過(guò)連接從SS引腳到SGND的電容來(lái)編程軟啟動(dòng)時(shí)間，根據(jù)輸出電容和輸出電壓確定最小軟啟動(dòng)電容值。

7.2 參數(shù)設(shè)置

• 設(shè)置輸入欠壓鎖定電平：通過(guò)連接從VIN到SGND的電阻分壓器，將分壓器的中心節(jié)點(diǎn)連接到EN/UVLO引腳，可設(shè)置器件開(kāi)啟的電壓。
• 調(diào)整輸出電壓：使用從輸出電容正端到SGND的電阻分壓器，將分壓器的中心節(jié)點(diǎn)連接到FB引腳，根據(jù)公式計(jì)算電阻值來(lái)設(shè)置輸出電壓。

7.3 功率損耗與熱管理

根據(jù)公式計(jì)算功率損耗，通過(guò)熱阻參數(shù)和環(huán)境溫度估算結(jié)溫。為避免熱關(guān)斷的誤觸發(fā)，需仔細(xì)評(píng)估總功率損耗。

7.4 PCB布局指南

PCB布局對(duì)器件的性能和可靠性有重要影響。所有承載脈沖電流的連接應(yīng)盡可能短且寬，以減少電感；輸入濾波電容和VCC旁路電容應(yīng)靠近IC引腳；模擬小信號(hào)地和開(kāi)關(guān)電流的功率地應(yīng)分開(kāi)，并在VCC旁路電容的返回端連接；在器件的外露焊盤(pán)下方提供多個(gè)熱過(guò)孔以提高散熱效率。

八、總結(jié)

MAX17504/MAX17504S是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的同步降壓DC - DC轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入電壓范圍、高輸出電流能力、多種工作模式和豐富的保護(hù)功能。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇組件、設(shè)置參數(shù)，并注意PCB布局和熱管理，以充分發(fā)揮該器件的優(yōu)勢(shì)，為電子設(shè)備提供穩(wěn)定、高效的電源解決方案。大家在使用過(guò)程中遇到任何問(wèn)題，歡迎一起交流探討。